Het toepassen van Microfluidics naar Elektrofysiologie
1 oktober 2007
Mijn naam is Dave Edington. Ik ben assistant-professor bij de afdeling Bioengineering aan de University of Illinois at Chicago. Het gebied waarop we ons voornamelijk richten is de toepassing van microtechnologieën voor biomedische toepassingen, specifiek met behulp van microfluïdische apparaten.
Vandaag laten we u een van onze projecten zien, waarbij we gebruikmaken van een microfluïdisch apparaat dat is aangepast aan een standaard perfusiekamer voor hersensnijden om spatiotemporele stimulatie van een hersensnede mogelijk te maken. Op dit moment worden neurotransmitters bij elektrofysiologische preparaten van hersensneden hoofdzakelijk ofwel globaal over de gehele hersensnede toegediend, waarbij de volledige hersensnede gelijktijdig wordt gestimuleerd, of via een micropipet in korte pulsen op verschillende tijdstippen toegediend.
De hersendoorsnede is een zeer complexe structuur, en wanneer u neurotransmitters globaal toepast of een micropipet gebruikt, kunt u in vivo stimulatiepatronen niet reproduceren. Met ons platform zijn we echter in staat om de stimulatie tot zeer specifieke regio's over de hersendoorsnede te sturen en een stimulatie te bereiken die meer op in vivo lijkt. Hier worden de huidige perfusiesystemen getoond waarbij ze worden gekoppeld aan een standaard dekglasplaatje.
Hiermee kan het medium door de gehele slice worden geperfuseerd. Het is echter niet mogelijk om de ruimtelijke resolutie van de neurotransmitter waarmee uw stimulatieapparaat werkt te controleren. Daarom hebben we een micro-flic-apparaat ontwikkeld dat kan worden gekoppeld aan deze standaard perfusiekamer.
Alle standaard elektrofysiologische assays kunnen dus worden gebruikt. Het enige verschil is dat dit, in plaats van een glazen bodem, bestaat uit een PDMS-apparaat met verschillende doorgaande gaten die verbonden zijn met microfluïdische kanalen. Deze kanalen verbinden met openingen in deze bovenste perfusiekamer, waardoor we neurotransmitters kunnen stimuleren via deze gaten, door de kanalen, via de via's en in de hersensectie. We maken gebruik van een techniek genaamd passief pompen om de vloeistoffen toe te dienen.
Hierdoor hebben we geen complexe slangsystemen nodig die uit dit apparaat komen, aangezien elektrofysiologie al een zeer complexe procedure is. Door het ontwerp van het apparaat te vereenvoudigen en passieve pomping te gebruiken, vereenvoudigen we het experimentele protocol voor het toepassen van dit microfluïdische apparaat. De structuur van het apparaat bestaat uit een microfluïdisch netwerk met twee lagen.
De eerste laag bestaat uit de routeringskanalen die verbonden zijn met de uitlaatpoorten, en de tweede laag bestaat uit de doorvoergaatjes die deze kanalen met de put verbinden. Deze fabricage is uitgevoerd met standaard stappen voor microfabricage van twee lagen, waarbij uitlijningsmarkeringen ervoor zorgen dat deze via's precies in het centrum van deze vier kanalen zijn geplaatst. Dit apparaat is ontworpen om te koppelen met de standaard profusiekamer, zodat alle dezelfde elektrofysiologische assays kunnen worden gebruikt.
Hierdoor kunnen we dit op een elektrofysiologische opstelling plaatsen, waarbij onze objectief erin kan komen en we lokale stimulatie kunnen bieden via onze microfluïdische kanalen, zonder de experimentele opstelling onnodig complexer te maken dan nodig is. Door het ontwerp van het apparaat zo eenvoudig mogelijk te houden, kunnen we dit platform veel gemakkelijker verspreiden. Wat betreft onze huidige structuur hebben we deze vier V-vormen in het midden van onze microfluïdische kanalen, maar deze kunnen worden aangepast aan de behoeften van verschillende laboratoria, afhankelijk van welke hersenregio zij bestuderen.
Zo zou één regio de hippocampus kunnen bestuderen en een andere de buitenste cortex. Afhankelijk van hoe we dit microfluïdische apparaat ontwerpen, kunnen we deze regio's stimuleren. Omdat het apparaat geen externe componenten nodig heeft om te functioneren, is een micropipetteur voldoende om via de passieve pompmethode vloeistof op deze openingen te pipetteren.
Naast dit onderste substraat is er geen extra apparatuur die het standaard elektrofysiologische laboratorium moet aanschaffen om dit apparaat te kunnen gebruiken. Tot op dit punt in het project hebben we ons gericht op het koppelen van de microfluïdische kanalen aan de standaard perfusiekamers. Het volgende deel van het project bestaat nu uit het testen van dit apparaat in daadwerkelijk hypothese-gestuurd onderzoek met behulp van deze slice-preparaten.
Hiermee hebben we aangetoond dat we, met behulp van fluorescerende kleurstoffen, verschillende regio's ruimtelijk kunnen stimuleren door deze fluorescerende analogen in de kanalen te injecteren. De volgende stap is om de daadwerkelijke biologische experimenten uit te voeren. Het vakgebied van de microfluidica bevindt zich hiermee op een overgangspunt.
We gaan voorbij aan de eerste demonstraties van het concept en gaan deze apparaten echt gebruiken om nieuwe en boeiende zaken te ontdekken die voorheen onmogelijk waren. Het vakgebied verschuift dus van technieken waarbij we gebruikmaakten van principes die op microschaal beschikbaar zijn, zoals snelle diffusie, laminaire stroming, grote oppervlakte-volumeratio's en procesintegratie. We gaan deze principes nu inzetten en toepassen om onvervulde behoeften in het laboratorium en in de kliniek op te lossen.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel bespreekt de toepassing van microfluïdische apparaten in de neurowetenschappen, specifiek voor spatio-temporele stimulatie van hersenplakjes. De methode verbetert de precisie van de toediening van neurotransmitters in vergelijking met traditionele technieken.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Bioengineering
- Microfluidica
Achtergrond
- Elektrofysiologische slice-preparaten worden veelvuldig gebruikt in de neurowetenschappen.
- Huidige methoden voor de toediening van neurotransmitters zijn beperkt in precisie.
- Microfluïdische apparaten bieden een innovatieve benadering om stimulatietechnieken te verbeteren.
- Standaard perfusiekamers voor hersenslices kunnen worden aangepast voor een verbeterde functionaliteit.
Doel van de studie
- Om een microfluïdisch apparaat te demonstreren dat spatiotemporele stimulatie van hersensecties mogelijk maakt.
- Om de applicatie van neurotransmitters in elektrofysiologische studies te verbeteren.
- Om een meer gecontroleerde omgeving te bieden voor experimenten met hersensecties.
Gebruikte methoden
- Ontwikkeling van een microfluïdisch apparaat dat compatibel is met perfusiekamers voor hersensnijjes.
- Toepassing van neurotransmitters met behulp van het microfluïdische systeem.
- Vergelijking van stimulatietechnieken: globaal versus gelokaliseerd.
- Elektrofysiologische metingen om de effectiviteit van de stimulatie te beoordelen.
Belangrijkste resultaten
- Het microfluïdische apparaat maakt een nauwkeurige controle van de toediening van neurotransmitters mogelijk.
- Spatio-temporele stimulatie vertoont verbeterde resultaten in vergelijking met traditionele methoden.
- Verbeterde experimentele resultaten in hersenplakpreparaten.
- Potentieel voor bredere toepassingen in neurowetenschappelijk onderzoek.
Conclusies
- Microfluïdische apparaten verbeteren de toediening van neurotransmitters in hersensnijden aanzienlijk.
- Deze technologie kan elektrofysiologische studies en aanverwante onderzoeksprojecten bevorderen.
- Toekomstige studies kunnen aanvullende toepassingen van deze methode onderzoeken.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie
Deze integratie van microfluidica en elektrofysiologie speelt in op een cruciale, onvervulde behoefte in het neurowetenschappelijk onderzoek: het realiseren van ruimtelijk en temporeel gecontroleerde toediening van neuromodulatoren aan hersenplakjes. Door regio-specifieke stimulatiepatronen mogelijk te maken die in vivo-condities beter nabootsen, vergroot het platform het voorspellend vertrouwen bij targetvalidatie en het mechanistisch minimaliseren van risico's voor drug discovery-programma's gericht op het centraal zenuwstelsel. Het vereenvoudigde, passieve pompsysteem ondersteunt een brede adoptie binnen elektrofysiologische workflows zonder dat hiervoor gespecialiseerde infrastructuur vereist is.
Strategische Toepassingen in Biopharma R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen mogelijk door middel van precieze ruimtelijke controle over de applicatie van neuromodulatoren in gedefinieerde hersengebieden.
- Operationele waarde: Elimineert de noodzaak voor manipulatie met micropipetten, waardoor de technische variabiliteit bij experimenten met de afgifte van neurotransmitters wordt verminderd.
- Predictieve waarde: Ondersteunt de functionele validatie van targets door stimulatiepatronen te reproduceren die fysiologisch relevanter zijn dan bij globale perfusie.
Screening & assayontwikkeling
- Klaar voor analyse: Bereidt gevalideerde hersensnijsystemen voor op daaropvolgende screening van verbindingen door het vaststellen van reproduceerbare, gelokaliseerde stimuleringsprotocollen.
- Kwantitatieve output: Faciliteert de meting van regio-specifieke elektrofysiologische responsen, waardoor dosis-respons- en kinetische analyses mogelijk worden.
- Hergebruik van platform: Kan worden aangepast aan verschillende hersengebieden (bijv. hippocampus, cortex) via herontwerp van de microfluïdische kanalen, ter ondersteuning van screeningcampagnes met meerdere doelwitten.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Translationele continuïteit: Slaat een brug tussen de ontdekkingsfase en de preklinische stadia door een ziekterelevant systeem te bieden voor het testen van effecten van neuromodulatoren in gestructureerd neuraal weefsel.
- Mechanistische risicoreductie: Verduidelijkt padspecifieke drug-effecten via geïsoleerde regionale stimulatie, waardoor ambiguïteit in studies naar target engagement wordt verminderd.
- Risico-gecorrigeerde voortgang: Ondersteunt go/no-go-beslissingen door regioafhankelijke effectiviteit en off-target signalen vroeg in de discovery pipeline te onthullen.
Integratie van Pijplijn & Workflow
De methode integreert in het ontdekkingscontinuüm, van vroege targetvalidatie tot preklinische beoordeling, wat ruimtelijk opgeloste mechanistische studies mogelijk maakt die het vertrouwen in de selectie van CNS-targets en lead-optimalisatie vergroten.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetests en de verduidelijking van signaalpaden door het mogelijk maken van isolatie van onafhankelijke variabelen (bijv. regionale blootstelling aan neuromodulatoren) in complexe neurale preparaten.
- Screening: Verbetert de reproduceerbaarheid van assays en kwantitatieve uitlezingen door gestandaardiseerde, door passieve pompen aangedreven vloeistoftoevoer via microfluïdische kanalen.
- Analytiek: Genereert conditiespecifieke elektrofysiologische metingen waarmee teams regionale responsen kunnen vergelijken en de potentie en selectiviteit van stimulantia kunnen beoordelen.
- Translationeel onderzoek: Legt een verbinding met preklinische continuïteit door hersensnijden te gebruiken als een ziekterelevant systeem voor het evalueren van neuromodulatoreffecten in behouden weefselarchitectuur.
- Hergebruik op bedrijfsniveau: Ontworpen als een herbruikbaar platform dat compatibel is met standaard perfusiekamers, waardoor de noodzaak voor hervalidatie tussen labs en projecten wordt geminimaliseerd.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen in doelwitvalidatie door mechanistische ambiguïteit te verminderen via ruimtelijk gecontroleerde stimulatie.
- Operationele waarde: Verbetert de reproduceerbaarheid en schaalbaarheid via passieve pomping, waardoor de afhankelijkheid van externe pompen of complexe slangsystemen wordt geëlimineerd.
- Strategische waarde: Verhoogt de kapitaalefficiëntie door gemultiplexte regionale tests binnen één elektrofysiologische opstelling mogelijk te maken, waardoor duplicatie van assays wordt verminderd.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering door duidelijkere structuur-activiteit- en target engagement-gegevens over verschillende hersensubregio's te leveren.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in het hanteren van microfluïdische apparaten en de integratie van elektrofysiologische opstellingen.
- Is afhankelijk van toegang tot standaard perfusiekamers voor hersensecties en microscopische beeldvormingssystemen.
- Vereist standaardisatie tussen teams voor een consistente koppeling van apparaten en uitlijning van kanalen tussen gebruikers.
- Omvat overwegingen voor aanpassingen bij het targeten van verschillende hersengebieden via microfluïdisch herontwerp van de via- en kanaalindelingen.
- Wordt beperkt door de noodzaak van fluorescentie- of elektrofysiologische validatie om de succesvolle afgifte van neuromodulatoren aan de doelgebieden te bevestigen.
